حساب عزم صمام الفراشة هي عملية تقدير قوة الدوران، أو عزم الدوران، اللازم لفتح القرص وإغلاقه وتثبيته في مكانه. تُستخدم هذه الحسابات بشكل أساسي لتحديد حجم المشغل.
اختيار المشغل الخاطئ في صمام الفراشة قد يؤدي ذلك إلى تكلفة باهظة. ويحدث هذا لأن المهندسين يخطئون في حساب عزم الدوران اللازم لدوران قرص الصمام.
تتناول هذه المقالة ثلاثة أنواع من عزم الدوران، وستة عوامل مؤثرة، والصيغة القياسية، ومخطط مرجعي DN50-DN300.
ما هو عزم دوران صمام الفراشة ولماذا هو مهم لاختيار المشغل؟
حساب عزم صمام الفراشة يمنح المهندسين الحد الأدنى من قوة الدوران اللازمة لتشغيل القرص بأمان في ظل الظروف المقدرة.
يتم التعبير عن عزم الدوران بوحدة نيوتن متر (Nm) للأنظمة المترية أو قدم رطل (ft-lb) للأنظمة الإمبراطورية.
الصيغة العملية الشائعة هي:
Ta = Ts + Tb + Td , حيث يساوي عزم دوران المشغل عزم دوران المقعد بالإضافة إلى عزم دوران المحمل بالإضافة إلى عزم الدوران الديناميكي.
لكل مشغل هوائي أو كهربائي أو هيدروليكي نطاق عزم دوران محدد. إذا انخفض هذا الخرج عن عزم الدوران المطلوب للصمام، يتوقف المشغل في منتصف شوطه.
يُعد حساب عزم الدوران الصحيح أمراً بالغ الأهمية، لأن توقف المحرك يُبقي القرص مفتوحاً جزئياً. وقد يؤدي ذلك إلى تسرب داخلي واحتمال تعطل النظام.
يُعدّ الحجم الزائد مشكلة أيضاً. فالمحرك ذو القدرة العالية جداً قد يُلحق الضرر بالجذع أو القرص أو المقعد المطاطي بمرور الوقت.
تحدد معايير مثل AWWA C504 و API 609 معايير الحد الأدنى لعزم الدوران التي يجب على الشركات المصنعة التحقق منها قبل شحن الصمامات.
توفر هذه المعايير لفرق المشتريات أساسًا للتحقق من صحة بيانات الشركة المصنعة ومقارنتها بنتائج الاختبارات المستقلة.
ثلاثة أنواع من عزم دوران الفراشة
هناك ثلاثة أنواع متميزة عزم دوران الفراشة القيم التي يجب على المهندسين مراعاتها في أي عملية لتحديد حجم المشغل.
عزم الكسر (عزم الفتح)
عزم الكبح هو أعلى قيمة لعزم الدوران في دورة التشغيل. وهو القوة اللازمة لفك قرص مغلق تمامًا بعد ثباته تحت الضغط. في هذه اللحظة، يعمل الاحتكاك الساكن وفرق الضغط الكامل في آن واحد. ويحدد عزم الكبح الحد الأدنى لمتطلبات الطاقة اللازمة للمشغلات الهوائية ذات الزنبرك القابل للإغلاق التلقائي.
عزم الدوران التشغيلي (عزم الدوران الديناميكي)
عزم الدوران أثناء التشغيل هو القوة اللازمة لمواصلة دوران القرص بعد انفصاله. وهو أقل من عزم الدوران اللازم للتوقف في الظروف العادية.
مع ذلك، قد يرتفع عزم الدوران بشكل حاد عند زوايا القرص المتوسطة، عادةً ما بين 60 و70 درجة. وينتج هذا الارتفاع عن القوى الهيدروديناميكية المؤثرة على القرص نتيجة انقسام التدفق حوله. لذا، يجب على المهندسين الذين يصممون المحركات الكهربائية للتحكم التعديلي مراعاة هذه الذروة في منتصف الشوط.
عزم الإغلاق / التثبيت
عزم التثبيت هو القوة المطلوبة لدفع القرص بالكامل على المقعد في نهاية الشوط.
بالنسبة للصمامات ذات المقاعد المرنة، يجب ضغط مطاط EPDM أو NBR بدرجة كافية لتحقيق إحكام مانع للتسرب. عادةً ما تكون فئة التسرب للمقاعد المرنة هي الفئة السادسة، ويتم التحقق منها وفقًا لمعيار API 598 أو ISO 5208.
تتطلب الصمامات ذات المقاعد المعدنية عزم إغلاق أعلى. ويتم تحديد مدى تحملها للتسريب بشكل منفصل بموجب معايير الفئة الرابعة.
ستة عوامل تؤثر على عزم دوران صمام الفراشة
هناك ستة متغيرات تحدد حساب عزم دوران صمام الفراشة (بالمقياس) لأي تطبيق معين.
حجم الصمام (قطر الأنبوب)
يتناسب عزم الدوران تقريبًا مع مكعب قطر القرص.
على سبيل المثال، يتطلب صمام DN200 عزم دوران أكبر بكثير من صمام DN50 عند نفس الضغط.
هذه العلاقة التكعيبية هي السبب في أن الصمامات ذات التجويف الكبير تتطلب دائمًا تقريبًا مشغلات تروس أو مشغلات تعمل بالطاقة.
فرق الضغط (ΔP)
يُعد فرق الضغط المتغير الأكبر في أي عملية حساب لعزم الدوران.
يؤدي ارتفاع فرق الضغط (ΔP) عبر القرص المغلق إلى زيادة عزم الكبح وعزم التثبيت بشكل كبير.
احسب دائمًا عزم الدوران عند أقصى فرق ضغط مصنف، وليس عند ضغط التشغيل العادي.
مادة المقعد
تُنتج مواد EPDM و NBR المطاطية احتكاكًا أكبر في المقعد مقارنةً بالمقاعد المبطنة بمادة PTFE.
يمكن أن تولد المواد المطاطية القديمة قيم عزم دوران أعلى بكثير من الأرقام المذكورة في ورقة بيانات الصمامات الجديدة.
ضع في اعتبارك تقادم المقعد عند اختيار هوامش أمان المشغل للتركيبات طويلة الأمد.
نوع الوسائط ولزوجتها
تضيف المواد اللزجة والسوائل اللزجة والوسائط الليفية عزم دوران السحب أثناء دوران القرص.
الماء النظيف هو المعيار الأساسي المستخدم في معظم مخططات عزم الدوران الخاصة بالشركات المصنعة.
تحقق من قيم عزم الدوران مع الشركة المصنعة إذا كان سائل العملية يختلف اختلافًا كبيرًا عن الماء.
تصميم الصمام واللامركزية
مركزي أو صمامات فراشة متحدة المركز يحافظ هذا التصميم على تلامس القرص مع مقعده طوال مسار الحركة الكامل بزاوية 90 درجة. ويؤدي هذا التلامس المستمر إلى عزم دوران تشغيل أعلى مقارنةً بالتصاميم اللامركزية.
تعمل الصمامات اللامركزية المزدوجة والثلاثية على رفع القرص عن المقعد فور فتحه، مما يقلل من عزم الدوران أثناء التشغيل وتآكل المقعد.
جسم: الفولاذ الكربوني، الفولاذ المصبوب، الفولاذ المطروق، SS304، SS316، البرونز الألومنيوم، الحديد المطاوع
درجة حرارة
تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى تصلب المواد المطاطية ويمكن أن تزيد من عزم الكسر بما يتجاوز قيم الظروف المحيطة.
في الوقت نفسه، قد تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في انتفاخ أو تدهور المقعد، مما يؤدي إلى تغيير شكل عزم الدوران بمرور الوقت.
تأكد دائمًا من ملاءمة مادة المقعد لنطاق درجة حرارة التشغيل الكامل قبل تحديد حجم المشغل النهائي.
كيف تستخدم صيغة حساب عزم دوران صمام الفراشة؟
ال صيغة حساب عزم صمام الفراشة يقسم عزم الدوران الكلي إلى أربعة مكونات قابلة للقياس، كما هو موضح أدناه.
الصيغة الرباعية المكونات
عزم الدوران الكلي (T) = Tt + Ts + Tp + Td
أين:
- Tt = عزم احتكاك محمل الساق
- عزم احتكاك المقعد (Ts)
- Tp = عزم الدوران الناتج عن الضغط (إزاحة القرص عن مركز العمود)
- Td = عزم الدوران الديناميكي أو الهيدروديناميكي الناتج عن الوسائط المتدفقة
صيغة المجال المبسطة لـ AWWA
بالنسبة لتطبيقات شبكات المياه، يوفر معيار AWWA C504 اختصارًا عمليًا:
T = K x D3 x ΔP
أين:
- T = عزم الدوران بوحدة نيوتن متر
- K = معامل الصمام (من ورقة بيانات الشركة المصنعة)
- D = قطر القرص بالأمتار
- ΔP = فرق الضغط بالبار
تختلف قيمة K باختلاف نوع الصمام ومادة المقعد وشكل القرص.
استخدم دائمًا قيمة K المنشورة من قبل الشركة المصنعة - وليس تقديرًا عامًا.
عامل الأمان لتحديد حجم المشغل
قم بتطبيق عامل أمان يتراوح بين 1.25 و 1.5 على عزم الدوران الأقصى المحسوب قبل اختيار المشغل.
توصي AWWA C504 بهذا النطاق لخدمة شبكات المياه القياسية.
بالنسبة للخدمة المسدودة أو الصمامات التي تعمل بشكل غير متكرر، قم بزيادة عامل الأمان إلى 1.5 إلى 2.0.
يشمل هذا الهامش الأوسع المقاعد القديمة، وظروف بدء التشغيل البارد، وارتفاعات عزم الدوران في منتصف الشوط.
الوحدات المترية مقابل الوحدات الإمبراطورية
حساب عزم دوران صمام الفراشة (بالوحدات المترية) ينتج عزم الدوران بوحدة نيوتن متر عندما تكون D بالمتر وΔP بالباسكال.
اقسم على 1000 إذا تم إدخال ΔP بالكيلوباسكال.
في الحسابات الإمبراطورية، يُقاس D بالبوصة وΔP بالرطل لكل بوصة مربعة. وتكون النتيجة بوحدة قدم-رطل مع عامل تحويل الوحدات.
النظام المتري (نيوتن متر) هو المعيار المعتمد في وثائق AWWA و API و ISO.
مخطط عزم دوران صمام الفراشة: القيم المرجعية للأحجام من DN50 إلى DN300
ال مخطط عزم صمام الفراشة يوضح الجدول أدناه قيم عزم الدوران الإرشادية لصمامات الفراشة المركزية ذات المقاعد الناعمة المصنوعة من مادة EPDM أو NBR.
تفترض هذه الأرقام استخدام المياه النظيفة ضمن نطاق الضغط التفاضلي المذكور.
استخدم هذه الأرقام كنقطة انطلاق. تأكد من مطابقتها مع منحنيات عزم الدوران الصادرة عن الشركة المصنعة قبل إتمام اختيار المشغل.
| حجم الصمام | ΔP النموذجي | مادة المقعد | عزم الكبح | عزم الدوران أثناء التشغيل | عزم الإغلاق |
|---|---|---|---|---|---|
| DN50 (2 بوصة) | 0.5-1.0 بار | EPDM / NBR | 8-14 نيوتن متر | 10-16 نيوتن متر | 12-18 نيوتن متر |
| DN80 (3 بوصة) | 0.5-1.0 بار | EPDM / NBR | 18-28 نيوتن متر | 22-32 نيوتن متر | 26-36 نيوتن متر |
| DN100 (4 بوصة) | 1.0-1.6 بار | EPDM / NBR | 30-45 نيوتن متر | 38-55 نيوتن متر | 44-60 نيوتن متر |
| DN150 (6 بوصة) | 1.0-1.6 بار | EPDM / NBR | 60-90 نيوتن متر | 75-110 نيوتن متر | 88-120 نيوتن متر |
| DN200 (8 بوصة) | 1.0-1.6 بار | EPDM / NBR | 110-160 نيوتن متر | 140-200 نيوتن متر | 160-220 نيوتن متر |
| DN250 (10 بوصة) | 1.0-1.6 بار | EPDM / NBR | 180-260 نيوتن متر | 220-320 نيوتن متر | 260-360 نيوتن متر |
| DN300 (12 بوصة) | 1.0-1.6 بار | EPDM / NBR | 280-380 نيوتن متر | 340-460 نيوتن متر | 400-530 نيوتن متر |
ملحوظةالقيم المذكورة في الجدول هي قيم تقريبية لصمامات الفراشة المركزية ذات المقعد المرن ضمن نطاق فرق الضغط المحدد. أما الصمامات ذات المقعد المعدني واللامركزية فلها خصائص عزم دوران مختلفة. يجب تحديد حجم المشغل النهائي باستخدام منحنيات عزم الدوران الصادرة من الشركة المصنعة.
سيناريو تطبيقي في العالم الحقيقي
في هذا السيناريو، يقوم مقاول الهندسة والمشتريات والإنشاءات بتحديد صمامات الفراشة الآلية لمشروع توسعة محطة معالجة المياه.
يحتاج مورد المشغل إلى أوراق بيانات عزم الدوران المختومة لتكوين نطاقات زنبرك المشغل الهوائي.
تقوم شركة TG Valve بحل المشكلة من خلال توفير وثائق عزم الدوران الصادرة من المصنع لكل حجم صمام وتصنيف ضغط.
والنتيجة هي تقليل وقت الهندسة وأخطاء اختيار المشغل.
خاتمة
الحساب الصحيح عزم دوران الفراشة تعني القيم مطابقة كل قيمة مع المشغل المناسب. وهذا يساعد على منع الأخطاء التي قد تؤدي إلى مشاكل مثل التسرب الداخلي وتعطل النظام.
تُجري شركة TG Valve اختبارات كاملة للهيكل والمقعد في مصنعها بما يتوافق مع معايير AWWA C504 و API 609 و API 598.
يخرج كل صمام من خط الإنتاج مزودًا بورقة بيانات عزم الدوران الموثقة التي تغطي عزم الدوران عند الكسر، وعزم الدوران أثناء التشغيل، وعزم الدوران عند الإغلاق.
تتيح هذه الوثائق لفرق المشتريات وموردي المشغلات مطابقة مخرجات المشغلات مباشرة مع بيانات عزم الدوران الخاصة بالصمام.
